Linux 雲計算底層技術之一文讀懂 Qemu 架構

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Qemu 架構

Qemu 是純軟件實現的虛擬化模擬器，幾乎能夠模擬任何硬件設備，咱們最熟悉的就是可以模擬一臺可以獨立運行操做系統的虛擬機，虛擬機認爲本身和硬件打交道，但實際上是和 Qemu 模擬出來的硬件打交道，Qemu 將這些指令轉譯給真正的硬件。

正由於 Qemu 是純軟件實現的，全部的指令都要經 Qemu 過一手，性能很是低，因此，在生產環境中，大多數的作法都是配合 KVM 來完成虛擬化工做，由於 KVM 是硬件輔助的虛擬化技術，主要負責 比較繁瑣的 CPU 和內存虛擬化，而 Qemu 則負責 I/O 虛擬化，二者合做各自發揮自身的優點，相得益彰。

從本質上看，虛擬出的每一個虛擬機對應 host 上的一個 Qemu 進程，而虛擬機的執行線程（如 CPU 線程、I/O 線程等）對應 Qemu 進程的一個線程。下面經過一個虛擬機啓動過程看看 Qemu 是如何與 KVM 交互的。

// 第一步，獲取到 KVM 句柄
kvmfd = open("/dev/kvm", O_RDWR);
// 第二步，建立虛擬機，獲取到虛擬機句柄。
vmfd = ioctl(kvmfd, KVM_CREATE_VM, 0);
// 第三步，爲虛擬機映射內存，還有其餘的 PCI，信號處理的初始化。
ioctl(kvmfd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &mem);
// 第四步，將虛擬機鏡像映射到內存，至關於物理機的 boot 過程，把鏡像映射到內存。
// 第五步，建立 vCPU，併爲 vCPU 分配內存空間。
ioctl(kvmfd, KVM_CREATE_VCPU, vcpuid);
vcpu->kvm_run_mmap_size = ioctl(kvm->dev_fd, KVM_GET_VCPU_MMAP_SIZE, 0);
// 第五步，建立 vCPU 個數的線程並運行虛擬機。
ioctl(kvm->vcpus->vcpu_fd, KVM_RUN, 0);
// 第六步，線程進入循環，並捕獲虛擬機退出緣由，作相應的處理。
for (;;) {
  ioctl(KVM_RUN)
  switch (exit_reason) {
      case KVM_EXIT_IO:  /* ... */
      case KVM_EXIT_HLT: /* ... */
  }
}
// 這裏的退出並不必定是虛擬機關機，
// 虛擬機若是遇到 I/O 操做，訪問硬件設備，缺頁中斷等都會退出執行，
// 退出執行能夠理解爲將 CPU 執行上下文返回到 Qemu。

Qemu 源碼結構

Qemu 軟件虛擬化實現的思路是採用二進制指令翻譯技術，主要是提取 guest 代碼，而後將其翻譯成 TCG 中間代碼，最後再將中間代碼翻譯成 host 指定架構的代碼，如 x86 體系就翻譯成其支持的代碼形式，ARM 架構同理。

因此，從宏觀上看，源碼結構主要包含如下幾個部分：

• /vl.c：最主要的模擬循環，虛擬機環境初始化，和 CPU 的執行。
• /target-arch/translate.c：將 guest 代碼翻譯成不一樣架構的 TCG 操做碼。
• /tcg/tcg.c：主要的 TCG 代碼。
• /tcg/arch/tcg-target.c：將 TCG 代碼轉化生成主機代碼。
• /cpu-exec.c：主要尋找下一個二進制翻譯代碼塊，若是沒有找到就請求獲得下一個代碼塊，而且操做生成的代碼塊。

其中，涉及的主要幾個函數以下：

函數	路徑	註釋
main_loop	{/vl.c}	不少條件的判斷，如電源是否斷等
qemu_main_loop_start	{/cpus.c}	分時運行 CPU 核
struct CPUState	{/target-xyz/cpu.h}	CPU 狀態結構體
cpu_exec	{/cpu-exec.c}	主要的執行循環
struct TranslationBlock	{/exec-all.h}	TB（二進制翻譯代碼塊） 結構體
cpu_gen_code	{translate-all.c}	初始化真正代碼生成
tcg_gen_code	{/tcg/tcg.c}	tcg 代碼翻譯成 host 代碼

知道了這個整體的代碼結構，再去具體瞭解每個模塊可能會相對容易一點。

Qemu 的使用

1. 源碼下載

centos：
sudo apt-get install qemu
ubuntu：
sudo yum install qemu -y
安裝包：
$wget http://wiki.qemu-project.org/download/qemu-2.0.0.tar.bz2
$tar xjvf qemu-2.0.0.tar.bz2
Git：
$git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git

2. 編譯及安裝

$cd qemu-2.0.0 //若是使用的是git下載的源碼，執行cd qemu
$./configure --enable-kvm --enable-debug --enable-vnc --enable-werror  --target-list="x86_64-softmmu"
$make -j8
$sudo make install

configure 腳本用於生成 Makefile，其選項能夠用 ./configure --help 查看。

這裏使用到的選項含義以下：

• --enable-kvm：編譯 KVM 模塊，使 Qemu 能夠利用 KVM 來訪問硬件提供的虛擬化服務。
• --enable-vnc：啓用 VNC。
• --enalbe-werror：編譯時，將全部的警告看成錯誤處理。
• --target-list：選擇目標機器的架構。默認是將全部的架構都編譯，但爲了更快的完成編譯，指定須要的架構便可。

安裝好以後，會生成以下應用程序：

• ivshmem-client/server：這是一個 guest 和 host 共享內存的應用程序，遵循 C/S 的架構。
• qemu-ga：這是一個不利用網絡實現 guest 和 host 之間交互的應用程序（使用 virtio-serial），運行在 guest 中。
• qemu-io：這是一個執行 Qemu I/O 操做的命令行工具。
• qemu-system-x86_64：Qemu 的核心應用程序，虛擬機就由它建立的。
• qemu-img：建立虛擬機鏡像文件的工具，下面有例子說明。
• qemu-nbd：磁盤掛載工具。

下面經過建立虛擬機操做來對這些工具備個初步的認識。

3. 建立虛擬機

• 使用qemu-img建立虛擬機鏡像

虛擬機鏡像用來模擬虛擬機的硬盤，在啓動虛擬機以前須要建立鏡像文件。

qemu-img create -f qcow2 test-vm-1.qcow2 10G

-f 選項用於指定鏡像的格式，qcow2 格式是 Qemu 最經常使用的鏡像格式，採用來寫時複製技術來優化性能。test-vm-1.qcow2 是鏡像文件的名字，10G是鏡像文件大小。鏡像文件建立完成後，可以使用 qemu-system-x86 來啓動x86 架構的虛擬機.

• 使用 qemu-system-x86 來啓動 x86 架構的虛擬機

qemu-system-x86_64 test-vm-1.qcow2

由於 test-vm-1.qcow2 中並未給虛擬機安裝操做系統，因此會提示 「No bootable device」，無可啓動設備。

• 啓動 VM 安裝操做系統鏡像

qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm test-vm-1.qcow2 -cdrom ./Centos-Desktop-x86_64-20-1.iso

-m 指定虛擬機內存大小，默認單位是 MB， -enable-kvm 使用 KVM 進行加速，-cdrom 添加 fedora 的安裝鏡像。可在彈出的窗口中操做虛擬機，安裝操做系統，安裝完成後重起虛擬機便會從硬盤 ( test-vm-1.qcow2 ) 啓動。以後再啓動虛擬機只須要執行：

qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm test-vm-1.qcow2

qemu-img 支持很是多種的文件格式，能夠經過 qemu-img -h 查看.
其中 raw 和 qcow2 是比較經常使用的兩種，raw 是 qemu-img 命令默認的，qcow2 是 qemu 目前推薦的鏡像格式，是功能最多的格式。這些知識後面會有文章來專門講述。

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